x z z x H H t/) 111 O N O OĹ LU O SINICE (CYANOBAKTERIE) • f otosyntetizující prokaryota • OSldlují rozmanité biotopy (sladké i slané vody, vlhká půda, ledovce, kůra dřevin, fykobionti v lišejnících...) • většina druhů se vyskytuje ve vodních ekosystémech • produkce toxických metabolltů • cca 3.5 mld let staré • vytvoření kyslíkové atmosféry Země Sinice = cyanobakterie > Během rozvoje vodního květu - dominantní plankton n í druhy v řadě nádrží na celém světě > Producenti řady biologicky aktivních látek > Nejvýznamnější producenti: Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Planktothrix, Nodularia, Cylindrospermopsis Masový rozvoj síníc - antropogenní příčiny pesticidy ^^^surfaktanty Cl-bifenyly ^^ radionuklidTr l ftaláty eutrofizace vom rozvoj ^fotosyntetizjících organismů masový rozvoj sinic Masový rozvoj smie - globálni problém Upper Saranac River, USA Bedetti Lake, Argentína Baltské moře, Evropa Neuse River, USA Nové Mlýny, Česko Žluté moře, Čína Lake Mokoan, Austrálie Jihoafrická republika CYANOTOXINY nárůst koncentrace C02 v atmosféře, nárůst UV radiace simce (cyanobaktér eutrofizace vodních ekosystémů masový rozvoj sinic (vodní květy) ! LIDSKÉ AKTIVITY! spalování zemědělství, odpadní vody CYANOTOXINY o *^L Toxické VKS 80% nádrží a rybníku v CR b/rri 7 2500000 2000000 1000000 500000 100000 20000 10000 1000 100 f l ° /■' /i / ■ o. / ■ / ■ ...o ""ß...................... /l .*/ i i TJ ■ /i \°7 ■I 1 rv^ / ■7 ' V 1 •1 ■j y Ó y ' ** / .o' .........S".................................................................................................................................................................................................................................................................................. III. SIGNALIZACE 3.5 15.5. 30.5. 12.6 26.6 10.7 24.7 7.8. 20.8. 3.9. 18.9 *" II. SIGNALIZACE 5> I. SIGNALIZACE 1. VAROVÁNÍ ■o- Hráz -o— Přístaviště .<>.. Sokolské koupaliště datum SINICE • produkují stovky sekundárních metabolitů • rozmanité struktury: • peptidy a depsipeptidy (lineární, cyklické) • heterocyklické sloučeniny • lipidické látky BIOTOXINY - vysoká akutní toxicita pro savce • MICROCYSTINY A NODULARINY • ANATOXINY, SAXITOXINY, ANATOXIN-a(S) • CYLINDROSPERMOPSIN • lipopolysacharidy CYTOTOXINY - biologická aktivita, nízká akutní toxicita Masový rozvoj sinic - CYANOTOXINY / V • V/ COOH CH3 O l ll nejvýznamnější jsou: microcystiny a nodulariny anatoxiny a saxitoxiny I cylindrospermopsin nejvýznamnější producenti: Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Planktothrix, \ Cylindrospermopsis, Nodularia toxicitu vykazují také sinicové lipopolysacharidy - součást buněčných stěn všech sinic I desítky dalších metabolitů s biologickou aktivitou N H 7—CH3 SAXITOXINY i h O3SO H3C -N H O CYLINDROSPERMOPSIN CYANOTOXINY Nejvýznamnější rody produkující cyanotoxiny (dosud identifikováno cca 50 druhů produkujících tyto látky): Anabaena (microcystiny, anatoxiny, anatoxin-a(S), saxítoxiny, cylindrospermopsín) Aphanizomenon (anatoxiny, saxítoxiny, cylindrospermopsín) Microcystis, Nodularia (microcystiny a nodulariny) PlankfoŤhrix/Oscillaforia (microcystiny, anatoxiny, saxítoxiny) Cylindrospermopsis(cylindrospermopsín, saxítoxiny) další CYANOTOXINY • desítky biologicky aktivních nebo toxických látek sinicového původu (cyklické a lineární Deptidy a depsipeptidy, heterocyklické látky, ipidické látky) • Podle mnoha indicií existuje mnoho dalších dosud neobjevených toxických metabolitu sinic (sinice jsou často toxické i když neobsahují žádný z dosud identifikovaných cyanotoxinSN!) • farmakologicky slibné látky • Tříděné látek, nomenklatura.....nejednotné TOXIN STRUCTURE STRUCTURE VARIATION LD50* (Hg-kg-1) TOXICITY Microcystin cyclic heptapeptide >60 50-1200 hepatotoxicity, tumor promotion induction of oxidative stress Nodularin cyclic pentapeptide 7 50-2000 hepatotoxicity, tumor promotion Anatoxin alkaloide 2 200-250 neurotoxicity Anatoxin-a(S) rnethylphospho-ester N-hydroxy-guanine 1 20 neurotoxicity Saxitoxin carbamat alkaloid 19 10 neurotoxicity Cylindrospermopsin guanidin alkaloid 2 200** cytotoxicity, target organs: liver and kidney Aplysiatoxin 2 derrnatotoxicity, tumor promotion Lyngbyatoxin modified cyclic dipeptide 1 derrnatotoxicity, tumor promotion Lipopolysaccharide irritate effect Hypotézy o vzniku cyanotoxinu 1% suché váhy ■ microcystiny IRole v metabolismu živin - Zásoba dusíku? Skladování železa (chelatace) 2.Vnitrodruhová komunikace a signalizace - Geny ovlivněny světlem, hustotou kultury - Spojitost s látkami účastnících se na shlukování buněk (formování / rozpad kolonií) -migrace ve vodním sloupci - Protein pro transport MC z buňky, ale 90% v buňce Fee MC extracelulární ? Hypotézy o vzniku cyanotoxinu 3. Obrana proti predátorům • Zooplankton (přírodní koncentrace rozpuštěného MCs neúčinné) • Synergické působení více toxinů • Produkce zvyšována v prostředí s predatory (nebo látkami které vylučují) • Eukaryota později (MC cíl je Protein fosfatázy) • Sinice bez MC odolávají predační tlakům • Je to varovný signál ? Organismy jej nejsou schopny rozlišit Hypotézy o vzniku cyanotoxinu 4. Alelopatické působení • Jen některé fotoautotrofní organismy jsou ovlivněny již v přírodních koncentracích MC Inhibice růstu, fotosyntézy, ox.stres, inhibice enzymu a buněčných procesů • Řada z fotoautotrofu ovlivnitelná až při vysokých koncentracích • Hlavní konkurenti řasy - žádné účinky v přírod, podmínkách • Řasy = eukaryota • Většina MCs uvnitř buněk sinic „Nové" cyanotoxiny ohromné množství sloučenin (anagnostec.com: 5000 látek) • minimum informací: • toxikologie ? • výskyt a osud v prostředí ? • vliv na volně žijící organismy ? • účinky složitých směsí ? • přirozená funkce těchto látek ? • často pozorovány biologické efekty extraktů sinic, ale odpovědná sloučenina(y) neidentifikována • detailní studium - nutnost LC/MS instrumentace 2923 Cyanotoxiny - zdravotní a ekologická rizika ? Cyano toxíny "i i °bŕrt( ^ Y s CYANOTOXINY • sekundární metabolity sinic s různými typy biologické aktivity • rozmanitá skupina látek - chemicky (heterocykly, lineární a cyklické peptidy, lipidické sloučeniny...) i - toxikologický - široká škála mechanismů účinku - vliv na základní procesy buňkách nebo i na specifické fyziologické pochody - přenos nervového vzruchu apod.) - základní členění: „klasické cyanotoxiny" (microcystiny, nodulariny, anatoxiny, saxitoxiny, cylindrospermopsin, lipopolysacharidy) Ostatní cyanotoxiny - mají nízkou akutní toxicitu, ale vykazují různé typy biologické aktivity - antivirální, antibakteriální, alelopatická, protinádorová, inhibice různých enzymů a buněčných procesů 52 Specifické toxické účinky • Neurotoxíny - narušení nervového systému - Anatoxin-a - Anatoxin-a(s) - Saxitoxin - Neosaxitoxin • Hepatotoxiny - poškození jater - Microcystiny - Nodulariny - Cylindrospermopsin • Promotory nádoru - podporují nádorové bujení - Microcystiny Lipopolysacharidy - narušení gastrointestinálního traktu j^»J 1 ° 4 1 1 o 1 ^■H^H ' f. '. If H HS I| W M ^^jl 1 wH o Hli 'P k o p 1 íl í1' v Ä P^v? jJt» i-mk\ rť i^ľ ^b_^^^. Ls ■■k. *"""* _^-' BÉMffl F ■ ¥£ ito^^ - t "■"S i* nn ^v *■»* I^Jfl _j ____ ilF, .. ___ __ Bioakumulace microcystinu-LR v rybí tkáni ^T3^ tM^rft ^í - ■•* Bioakumulace MICROCYSTINU ■■V1- ■ m. 1 &&'*>. * 6773 Toxins Animal Health Effects Country Argentina Australia Canada England USA Species Killed cattle cattle, sheep cattle, waterfowl dogs, fish dogs, cattle, human? In July 2002, a Wisconsin teenager died two days after swimming in a golf-course pond that had a bloom of Anabaena flos-aquae. A year later, an autopsy reported the death was due to cyanotoxins in the pond water (Anatoxin-aJ. Účinky r\a f otoautotrof ní organismy • studium alelopatických interakcí • objasnění možné funkce některých cyanotoxinu Zelené řasy (Chlorophyta) S'mice, cyanotoxiny a řasy Pseudokirchneriella subcapitata LR kontrola ■ 100 ng/L 1000 ng/L ^ 5000 ng/L D 25000 ng/L čas (dny) čas (dny) . Účinky na živočichy • planktonní korýŠi (Ďaphnia magna) • akutní toxicita, chronická a reprodukční toxicita • em b ry a drápatek (Xenopus lae vis) • embryotoxicita, teratogenita Si n ice, cyanotoxiny a zooplankton Reprodukce 100 Frakce - mcystinv Kontrola Extrakt z řas Celý vod. květ i BIOM______ AQ. C18 PERMEATE C18ELUATE SPINACH Extrakt Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci - embryotoxicita, teratogenita **■ «?* Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci 100 o ^ 75 .Q E o I 50 E 3 03 Control 25 ^^ MLR (ng/L) -+ biomas with MLR (mg/L) -A- - biomass without MLR (mg/L) 75 MLR based (|_ig/L) 10 25 50 100 Biomass based (mg/L) 12 30 60 120 Concentration (log scale) o .Q E o ■a o > E 3 (0 +■> (0 (0 c o (0 E £ (0 50 25 £ 0 MC-LR Biomasa s / bez MC D MLR (ng/L) S Biomass with MLR (mg/L) ■ Biomass without MLR (mg/L) Control 1 ■l MLR based d^g/L) 10 1 25 100 I ^ 250 Biomass based fma/L^ 12 30 60 120 300 Účinky na obratlovce • Úhyny ryb spojené především se snížením obsahu kyslíku • Hromadné úhyny ptáků v různých částech světa spojovaný s masovými rozvoji s i nic -nejednonačné důkazy • Většinou souhrn více faktorů - paraziti, UV, sinice, patogeny - oslabení populací Jak na toxické sinice ? • Omezení přísunu živin • Cyanocidy (chemické i přírodní) • Biologická kontrola (biomanipulace, využití živých organismů) • Ostatní (mechanické odstranění, ekotechnické zásahy) Jak na toxické sinice ? • Neexistuje univerzální návod • - kombinace metod • - „specifický problém" podle nádrže ifc. S - , f-. U o-. > OOU) O i . „_ "" T- 1- Q oa o ö ö ö O O Cr (M ^ (O . o -- *- K ň o o (A V O "O N s Q** O' >N Ö > >N Ö Ö Podmínky masového rozvoje • Sluneční záření • Tepla voda (teplé letní dny) • Stojatá nebo pomalu tekoucí voda v • Živiny (fosfor) Ekologie a vodní květy sinic I I • Sinice ovlivňují vodní organismy - změny chemie vody - reprodukční toxicita, embryotoxicita - degradace: kyslíkový deficit Přímý vliv toxinů na ostatní vodní organismy ?